無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由大量隨機(jī)分布的集成了傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元和電源單元的微小節(jié)點(diǎn)并通過(guò)自組織方式構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)，其目的是借助于微小節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的各種傳感器來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)所感興趣的目標(biāo)或?qū)ο螅赃M(jìn)行任務(wù)感知、數(shù)據(jù)采集和處理。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了可能。但是隨之帶來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)的可靠性降低了，特別是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息不好確定，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不知道傳感器節(jié)點(diǎn)位置而感知的數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的，節(jié)點(diǎn)的自定位功能被認(rèn)為是系統(tǒng)的基本功能之一。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究非常重要，并且已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。
一般而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)分為基于距離的定位和非基于距離的定位。基于距離的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)一般分為兩個(gè)階段：首先是測(cè)量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離; 然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離和現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法，如三邊測(cè)量法等計(jì)算出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)的位置。因此，節(jié)點(diǎn)測(cè)距技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于距離的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的基礎(chǔ)。
本文通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出采用T OF 測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)測(cè)距，從而提高基于距離的節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)的定位精度。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)距方法
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的測(cè)量節(jié)點(diǎn)間距離的方法主要有TOA( Time of Arrival) ，TDOA( Time Dif ference of Arrival ) 、超聲波、RSSI ( Received Sig nalSTrength Indicator) 和TOF( Time of Light ) 等。
TOA 和TDOA 測(cè)距技術(shù)都是通過(guò)信號(hào)的傳播時(shí)間和信號(hào)的速度兩個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算距離的，無(wú)線信號(hào)傳輸速率大，時(shí)間測(cè)量上很小的誤差就可能導(dǎo)致距離上很大的誤差，并且TOA 需要昂貴的設(shè)備來(lái)保持時(shí)間同步,能量消耗大。TOA 測(cè)距涉及到信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)量,以此來(lái)估算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離。它能夠運(yùn)行在高多路徑環(huán)境，并且提供分米級(jí)的測(cè)距精度。
超聲波測(cè)距方法是指當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，反射波可由接收器接收，這樣只要測(cè)出超聲波從發(fā)送點(diǎn)到反射回來(lái)的時(shí)間間隔△t，就能測(cè)距。因此，超生波從發(fā)射處到障礙物之間的距離為c△t/ 2( c 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度) 。利用超聲波測(cè)距很精確，測(cè)量誤差只有10 cm，但由于超聲波是一種聲波，而聲速c 受環(huán)境溫度、濕度等因素的影響。另外，測(cè)距時(shí)需要額外的硬件支持，增加了節(jié)點(diǎn)的硬件成本和尺寸。
RSSI 是最基本的測(cè)距方法，基本不需要額外的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的測(cè)距中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)間的距離。其理論模型為：
式中：p ( d) 表示在距離d 處的信號(hào)強(qiáng)度; n 表示路徑長(zhǎng)度和路徑損耗之間的比例因子，范圍在2~ 4 之間; p ( d0 )表示在距離d0 處的信號(hào)強(qiáng)度; d 表示需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)與基站間的距離; d0 表示參考節(jié)點(diǎn)與基站間的距離 。因傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有無(wú)線通信能力，故它是一種低功率、廉價(jià)的測(cè)距技術(shù)，RADAR 等項(xiàng)目中使用了該技術(shù)。
雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中RSSI 表現(xiàn)出良好的特性，但是在實(shí)際環(huán)境中，它易受溫度、無(wú)線信號(hào)的反射、障礙物( 如陸地建筑物) 、傳播模式等諸多因素的影響，因此該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在困難，通常將其看作為一種粗糙的測(cè)距技術(shù)，有可能產(chǎn)生± 50% 的測(cè)距誤差。
TOF 測(cè)距技術(shù)可以理解為飛行時(shí)差測(cè)距( Time ofFlight Measurement ) 方法，傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)分為雙向測(cè)距技術(shù)( Two Way Rang ing ) 和單向測(cè)距技術(shù)( ONeWay Ranging) 。T OF 測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，它主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)( Transceiver) 之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。在信號(hào)電平比較好調(diào)制或在非視距視線環(huán)境下，基于RSSI 測(cè)距方法估算的結(jié)果比較理想; 在視距視線環(huán)境下，基于T OF 測(cè)距方法估算的結(jié)果比較理想，是隨距離呈線性關(guān)系的。因此，基于TOF 距離估算方法能夠彌補(bǔ)基于RSSI 距離估算方法的不足。另外，具體應(yīng)用時(shí)可以聯(lián)合使用兩種方法來(lái)提高定位系統(tǒng)的精確度。
TOF 測(cè)距方法是D. McCrady 提出的，然而該技術(shù)只側(cè)重于直接序列擴(kuò)頻( DSSS) 的通信系統(tǒng)。接下來(lái)，M. Ciur ana 也對(duì)T OF 測(cè)距技術(shù)有所研究，他首次在IEEE 802. 11b 的無(wú)線局域網(wǎng)中使用T OF 測(cè)距技術(shù)， 然而需要額外的硬件幫助。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，也有許多學(xué)者對(duì)TOF 測(cè)距技術(shù)進(jìn)行了研究。然而，他們側(cè)重于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)特殊的典型現(xiàn)場(chǎng)，如可編程門(mén)陣列( FPGA) 的實(shí)現(xiàn)，并且需要一個(gè)專門(mén)的基礎(chǔ)設(shè)施，而這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施也不能廣泛應(yīng)用于IEEE 8021. 11( 無(wú)線) 網(wǎng)絡(luò)中。
在本文中，考慮用窄帶射頻的T OF 測(cè)距方法及標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802. 11b 無(wú)線芯片來(lái)完成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確估計(jì)點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離。
2 TOF 測(cè)距方法原理
在T OF 測(cè)距時(shí)，本地節(jié)點(diǎn)A 向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)B 節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)來(lái)響應(yīng)這個(gè)數(shù)據(jù)包。執(zhí)行過(guò)程如圖1 所示。
圖1 TOF 測(cè)距過(guò)程
A 節(jié)點(diǎn)測(cè)量出從發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)的時(shí)間,這段消耗總時(shí)間記為T(mén)T OT 時(shí)間; B 記錄了B 從收到數(shù)據(jù)包到B 回應(yīng)確認(rèn)消息的這個(gè)時(shí)間段的時(shí)間，記為T(mén)T AT 。用T TOT 總時(shí)間減去周轉(zhuǎn)時(shí)間TT AT 就是雙方的數(shù)據(jù)包在飛行中度過(guò)的往返時(shí)間，記為T(mén)RTT 時(shí)間。假定在每個(gè)方向發(fā)生的飛行時(shí)間TTO F 等于50% 的往返時(shí)間，如式( 2) 所示：
當(dāng)計(jì)算出TT OF 后，根據(jù)D = T c( T 代表T TOF ; c 代表光速，為3×108 ms- 1 ) 可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離。
TOF 測(cè)距方法有兩個(gè)關(guān)鍵的約束：一是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步; 二是接收設(shè)備提供信號(hào)的傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，TOF 測(cè)距方法采用了時(shí)鐘偏移量來(lái)解決時(shí)鐘同步問(wèn)題。但由于T OF測(cè)距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，測(cè)距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響，這里采用反向測(cè)量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)平均在正向和反向所得的平均值，減少對(duì)任何時(shí)鐘偏移量的影響,從而減少測(cè)距誤差。
3 TOF 測(cè)距實(shí)驗(yàn)
3. 1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用了Jennic JN5148 EK010 開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)完成TOF 測(cè)距試驗(yàn)。JN5148 通信模塊具有超低功耗、高性能，完全兼容IEEE 802. 15. 4 等特點(diǎn)。它集成了32 b 的RSIC MCU 內(nèi)核、高性能的2. 4 GH z IEEE 802. 15. 4 收發(fā)器，主要應(yīng)用在ZigBeePRO 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中[ 12] 。
Jennic 的JN5148 無(wú)線微控制器包括一個(gè)硬件的飛行時(shí)間( TOF) 引擎，能夠測(cè)量2. 4 GHz 的無(wú)線電信號(hào)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的飛行時(shí)間。由于飛行時(shí)間與傳輸距離成正比，故可以用來(lái)估算節(jié)點(diǎn)間的距離。
3. 2 實(shí)驗(yàn)描述
選擇兩個(gè)JN 5148 節(jié)點(diǎn)，分別為A 節(jié)點(diǎn)和B 節(jié)點(diǎn)。A 節(jié)點(diǎn)作為Coordinator 節(jié)點(diǎn)，B 節(jié)點(diǎn)作為EndDevice節(jié)點(diǎn)。其中，B 節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與PC 機(jī)相連，在PC 機(jī)通過(guò)串口調(diào)試軟件來(lái)查看相關(guān)信息; A 節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，用來(lái)改變節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離。通過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與TOF 測(cè)距結(jié)果的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證測(cè)距方法的有效性。
根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試距離，設(shè)計(jì)了4 種類型的實(shí)驗(yàn)，分別為L(zhǎng)ine o f Sight ( LOS) ，No Line of Sight( NLOS) ，Indoo r，走廊等測(cè)距實(shí)驗(yàn)。其中，LOS 表示視線可達(dá)的區(qū)域，在一個(gè)無(wú)障礙的麥地進(jìn)行測(cè)試; NLOS 表示視線不可達(dá)的區(qū)域，在果園里進(jìn)行測(cè)試，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)直線距離中間有建筑物、樹(shù)木等障礙物; Indoor測(cè)距實(shí)驗(yàn)被安排在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試; 走廊實(shí)驗(yàn)在某棟樓的走廊進(jìn)行測(cè)試，障礙墻厚度為30 cm，走廊寬為3 m，長(zhǎng)約30 m。
3. 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了減少測(cè)距的誤差，采用多次測(cè)距求平均值的方法來(lái)估算距離。在10. 5 m 的室內(nèi)測(cè)距實(shí)驗(yàn)中，EndDev ice 節(jié)點(diǎn)放在一個(gè)房間內(nèi)，而Coor dinator 節(jié)點(diǎn)放在走廊內(nèi)，中間隔著一堵墻，測(cè)量結(jié)果如圖2 所示，測(cè)量60 次( 一個(gè)點(diǎn)3 次，共20 個(gè)測(cè)量點(diǎn)) 樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在1. 94 m，最大誤差距離為3. 55 m。在26 m 的走廊測(cè)距實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量60 次樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在2. 01 m，最大誤差距離為5. 1 m，樣本數(shù)據(jù)如圖3 所示。
在100 m 的LOS 測(cè)距試驗(yàn)中，測(cè)量60 次樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在3. 62 m，最大誤差距離為11. 2 m，樣本數(shù)據(jù)如圖4 所示。在100 m 的NLOS 測(cè)距試驗(yàn)中，測(cè)量60 次樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在4. 47 m，最大誤差距離為19. 6 m，樣本數(shù)據(jù)如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，TOF 的精度較高，可以滿足WSN 定位技術(shù)的要求。
圖2 室內(nèi)測(cè)距樣本圖
圖3 走廊測(cè)距樣本圖
圖4 LOS 測(cè)距樣本圖
圖5 NLOS 測(cè)距樣本圖
4 結(jié) 論
介紹了基于TOF 的節(jié)點(diǎn)測(cè)距技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，用時(shí)鐘偏移量方法可以有效實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，用求正反方向的T OF 平均值的方法可以有效減少誤差。
TOF 測(cè)距實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)、室外進(jìn)行了多種測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10. 5 m 的室內(nèi)，測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在1. 94 m; 在26 m 的走廊，測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在2. 01 m; 在100 m 的LOS，測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在3. 62 m; 在100 m 的NLOS，測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在4. 47 m。上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,誤差大小也不同，這主要受信號(hào)傳輸路徑的影響。因?yàn)樵谛盘?hào)的傳播過(guò)程中，由于受地面或水面反射和大氣折射的影響，接收到的信號(hào)有可能不是單一路徑來(lái)的，而是由許多路徑來(lái)的眾多反射波合成的，因此測(cè)量信號(hào)的傳輸時(shí)間就會(huì)有誤差，從而影響估算距離的精確度。
總之，結(jié)果表明，T OF 是一種精確度較高的測(cè)距方法，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠得到廣泛應(yīng)用。
